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光ファイバ増幅器

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セラミックスアーカイブズ
光ファイバ増幅器
(1995 年~現在)
Key-words: 光 通 信,
光ファイバ,光増幅器
注1 Cable Tele-Vision
の略で,テレビ放送を
同軸ケーブル等の電線
で作った網状のネット
ワークで配信する有線
放送サービス.当初は
地上波テレビ放送の電
波が届きにくい地域で
もテレビの視聴を可能
にするという目的で開
発されたが,近年では
多チャンネルや電話
サービス,高速なイン
ターネット接続サービ
スも行っている.
注2 F i b e r T o T h e
Home の 略. 光 フ ァ
イバによる家庭向けの
高速通信サービス.一
般家庭にまで光ファイ
バーを引きこむことで,
電話,インターネット,
テレビなどのサービス
を統合して提供するこ
とができる.
光ファイバ通信は伝送ファイバ中を光信号が進むことで行われるが,伝送ファイバ自体
の損失や分岐による損失を受けて信号強度が弱くなってしまうため,損失を補償するため
に光の増幅を行う必要がある.光増幅には希土類イオンをコアに添加した光ファイバを増
幅媒体とした光ファイバ増幅器が用いられる.光ファイバ増幅器は非常に単純な原理で入
射された光を高効率で増幅でき,しかも増幅媒体自体が光ファイバであるため伝送路の光
ファイバとの整合性もよいといった特徴を持っている.特にエルビウム添加光ファイバ増
幅器(EDFA)は,増幅可能な光の波長帯域がちょうど伝送ファイバの低損失波長帯域と
一致していることから,現在の大容量光通信において非常に重要な役割を担っている.
1.適用分野の背景
なっている.WDM 通信注3)における光増幅では異なる
インターネットの世界的な普及を契機とした情報通
波長の信号光を一括して増幅する必要があり,様々な
信分野の爆発的な成長に伴い,光通信システムの大容
方式の光増幅器の中でもそのような増幅に最も適して
量化,高速化の要求は基幹伝送系(長距離通信)
,分配
いるのが光ファイバ増幅器(図1)である.特に光ファ
伝送系(CATV
注1)
,FTTH
注2)
など)ともに高まる一方で
イバの伝送損失が最も少ない波長帯域(1.55μm 付近)
ある.この要求を満たすような大容量で高速な伝送シ
で光を増幅できるエルビウム添加光ファイバ増幅器
ステムを構築するためには WDM 通信が必要不可欠と
(EDFA)は図2に示すとおり基幹伝送系,分配伝送系
図1 エルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)
写真は EDFA と光分配器が一体化されて分配伝送系に使用されているもの.入力される
信号光を増幅した後,複数の信号に分配して出力する.
注3 W a v e l e n g t h
Division Multiplexing の
略.波長を僅かにずら
した光信号を重ねて多
重化することで,1 本
の光ファイバで同時に
何重もの情報を伝送す
ることでき,比較的容
易に伝送容量を増大で
きる.
図2 光ファイバ増幅器の適用例
(a) 基幹伝送系では伝送路光ファイバで減衰した信号を増幅するために数十~数百 km の間隔で設置される.
(b) 分配伝送系では各家庭までの伝送損失や,分配による損失を補償するために設置される.分配数が多い
ほど損失が大きいためより高出力な増幅器が必要となる.
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セラミックス 41(2006)No. 10
セラミックスアーカイブズ
のどちらにも使用されており非常に重要な役割を果た
起光を吸収し,電子状態は基底状態から励起状態へと
している.つまり,今日の WDM 通信による高速大容
変化する.励起状態にある Er3+ イオンはある時間経過
量光通信システムは光ファイバ増幅器,特に EDFA が
すると励起状態と基底状態のエネルギー差に相当する
あってはじめて可能となっている.
波長(エルビウムでは 1.5 ~ 1.6μm)の光を放出して
基底状態へと戻る.このとき励起光の強度が十分に強
2.光ファイバ増幅器の基本構成
ければ,基底状態よりも励起状態にある Er3+ イオンの
図3は光ファイバ増幅器の基本的な構成を示したも
数を多い反転分布状態を形成することができ,その状
のである.増幅媒体にはコアに希土類イオンが添加さ
態で信号光が入射されると励起状態にある Er3+ イオン
れた光ファイバを用い,希土類イオンを励起するため
は誘導放出注 4)を起こし,信号光強度が増幅される.
注4 励起状態にある
電子に基底準位と励起
準位のエネルギー差に
ほぼ相当する光を外部
から入射すると,電子
はエネルギーを光とし
て放出して強制的に低
エネルギー準位に遷移
させられる.この現象
を誘導放出という.
の励起光源,励起光と信号光を合波し希土類添加光
ファイバに入射するための WDM カプラ,レーザ発振
4.光ファイバ増幅器の特徴
を防止するためのアイソレータ,光ファイバ増幅器の
上述のように希土類添加光ファイバ増幅器は励起光
出力を制御するための出力モニタカプラ,光検出器か
を投入するだけの非常に簡単な原理で信号光を増幅
ら構成される.希土添加光ファイバのコアに添加され
でき,その利得は 20dB(100 倍)から構成によっては
る希土類イオンは光通信システムで使用される信号波
40dB 以上(1万倍)にすることが可能である.また,
長の帯域に応じて適宜選択される.実際には図4に示
信号光を電気に変換せずに光のまま増幅できるため,
すとおり伝送ファイバの低損失な波長域が使用されて
従来の光⇔電気変換を必要とした増幅に比べて装置構
おり,波長域に応じて Er(エルビウム)
,Pr(プラセオ
成が非常に簡単で,励起光に対する増幅効率も 80%
ジム)
,Tm(ツリウム)を添加したファイバを使用して
以上と非常に高効率な増幅が可能である.さらに,増
増幅器を構成する.さらに,WDM 通信では各波長に
幅媒体自体が光ファイバであり,その周辺部品も光
おける信号強度が同じであることが望まれるため希土
ファイバを用いた部品で構成されているため,既存の
類添加光ファイバの利得の波長依存性を平坦化するた
伝送路に使用されている光ファイバとも容易にかつ低
めの利得等化器も使用される.
損失で接続でき,整合性がよい.
3.光ファイバ増幅器の原理
5.将来展望
EDFA を例にとり光ファイバ増幅の原理を説明する.
光ファイバ通信システムの大容量化,高速化は今後
図5は Er3+ イオンのエネルギー準位を示したものであ
も進展し続けるが,そのためにはより多くの WDM 信
3+
る.Er イオンは 0.98μm および 1.48μm 付近に吸収
号を利用することができるように光ファイバ増幅器の
帯域を持っており,これらの波長の励起光がエルビウ
増幅帯域の広帯域化は重要な課題である.広帯域化の
3+
ム添加光ファイバ(EDF)に入射すると Er イオンは励
技術としては,ホストガラスの材質を変える,増幅帯
図3 光ファイバ増幅器の基本構成
希土類添加光ファイバを増幅媒体として用いる.希土類添加光ファイバに励起光を入力し,そこに信号光
を入力すると信号光が増幅される.
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セラミックスアーカイブズ
域の異なる複数の増幅器を縦列または並列に接続して
用いる,伝送ファイバの非線形性を用いたファイバラ
[連絡先] 北林 和大
(株)フジクラ 光電子技術研究所
〒 285 ─ 0812 佐倉市六崎 1440
マン増幅器などが検討されており,これらのアンプ
を利用した光ファイバ通信システムの実現が期待され
る.
図4 伝送ファイバ損失の波長依存性と光ファイバ増幅器の増幅帯域
使用する波長域に応じてコアに添加する希土類は適宜選択される.1.5 ~
1.6μm では Er(エルビウム)
,1.3μm では Pr(プラセオジム)
,1.45
~ 1.5μm および 1.67μm では Tm(ツリウム)が使用される.
3+
図5 Er
イオンのエネルギー準位図
Er イオンが励起光を吸収し反転分布が形成されているところへ信号光が
入射されると,誘導放出によって信号光が増幅される.
3+
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